Fecho de pressão em vez de soldadura: ligação e libertação orientadas de compostos bioactivos
Uma nova plataforma de biossíntese poderá permitir que os compostos bioactivos sejam marcados, direcionados e libertados a pedido
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Uma equipa de investigação do Instituto Leibniz para a Investigação de produtos naturais e Biologia da Infeção (Leibniz-HKI) em Jena, em colaboração com a Universidade de Jena, conseguiu biossintetizar um produto natural que contém um grupo químico reativo. O grupo furano do aminoácido furilalanina permite a ligação reversível de corantes fluorescentes a péptidos como, por exemplo, antibióticos. O estudo foi recentemente publicado na revista científica "Chem".
Muitos medicamentos de importância médica têm origem em fontes naturais. Os microrganismos produzem estes compostos utilizando linhas de montagem enzimáticas altamente sofisticadas e extremamente precisas. Muitos produtos naturais microbianos pertencem a uma classe conhecida como péptidos não ribossómicos - cadeias curtas de aminoácidos que possuem frequentemente actividades biológicas farmacologicamente relevantes, incluindo efeitos antibióticos. Ao contrário das proteínas comuns, não são sintetizados por ribossomas, mas por "linhas de montagem" enzimáticas que ligam os blocos de construção molecular passo a passo.
"O nosso objetivo era introduzir grupos quimicamente reactivos nestes péptidos não ribossómicos, para que mais tarde pudessem ser realizadas outras reacções nestes locais", explica Friedrich Ehinger, primeiro autor do estudo.
Os investigadores desenvolveram agora uma tecnologia de plataforma que permite a integração de grupos reactivos em produtos naturais através da biossíntese de novo. Por outras palavras, as bactérias modificadas podem produzir elas próprias todos os blocos moleculares de construção do péptido bioativo. Uma enzima especializada permite que as bactérias convertam o aminoácido tirosina em furilalanina. Outro grande desafio foi assegurar que os microrganismos incorporassem estes grupos reactivos nos produtos naturais em posições definidas com precisão. Utilizando a evolução dirigida, os investigadores modificaram as sintetases peptídicas de modo a incorporarem preferencialmente a furilalanina em vez do seu substrato natural, a fenilalanina, na estrutura peptídica.
Como resultado, o antibiótico sintetizado pela bactéria contém uma porção de furano que actua como uma pega reactiva à qual outras moléculas podem ser ligadas seletivamente. Isto é conseguido através da chamada reação de Diels-Alder. Simplificando, duas estruturas químicas correspondentes formam um anel em conjunto. Isto torna possível, por exemplo, ligar corantes fluorescentes e visualizar a molécula microscopicamente no seu local de ação. Por outro lado, o acoplamento da molécula a anticorpos pode permitir que esta seja direcionada especificamente para um local-alvo desejado - potencialmente aumentando a eficácia e reduzindo os efeitos secundários indesejados.
Um princípio de fecho rápido
"A novidade do nosso método é que funciona como um fecho de pressão", sublinha Christian Hertweck, diretor do Departamento de Química Biomolecular da Leibniz-HKI e professor da Universidade Friedrich Schiller de Jena. "Permite que duas moléculas sejam ligadas de uma forma altamente controlada, mas também separadas novamente quando necessário."
O método recentemente desenvolvido é altamente versátil. Os péptidos bioactivos podem não só ser marcados com outras moléculas, mas também enriquecidos seletivamente a partir de misturas e subsequentemente libertados de novo. Outra aplicação possível é imobilizar um péptido bioativo - como o antibiótico gramicidina S utilizado neste estudo - num material de transporte e libertá-lo gradualmente através do calor do corpo, à semelhança dos pensos que contêm medicamentos.
Os efeitos secundários desaparecem
As descobertas inesperadas e a observação atenta são muitas vezes poderosos motores do progresso científico. Inicialmente, os autores ficaram satisfeitos por a atividade antibiótica da gramicidina S não ter diminuído com a modificação. No entanto, observaram também que os efeitos secundários indesejáveis da gramicidina S desapareceram quase completamente na variante que contém furilalanina. Assim, a alteração estrutural introduzida pela incorporação da furilalanina pode, ela própria, oferecer vantagens importantes.
"A gramicidina S era inicialmente apenas o nosso sistema de teste para avaliar o método", diz Hertweck. "Mas apercebemo-nos de que a modificação da molécula também melhorava as suas propriedades farmacológicas." "A gramicidina S é normalmente aplicada apenas topicamente, por exemplo contra a acne, porque destrói os glóbulos vermelhos por contacto direto", acrescenta Ehinger. "Nas nossas experiências, observámos que o antibiótico modificado já não era hemolítico em condições biologicamente relevantes." O novo composto foi testado com sucesso contra agentes patogénicos multirresistentes, como o MRSA, durante o estudo.
As descobertas e a tecnologia da plataforma desenvolvida neste trabalho podem tornar-se altamente relevantes para futuras investigações biomédicas e aplicações médicas. Por esse motivo, foi apresentado um pedido de patente para a tecnologia.
Um esforço de colaboração
Ehinger e Hertweck sublinham que o estudo foi realizado como um esforço de colaboração internacional envolvendo vários grupos de investigação. Para além do Leibniz-HKI, contribuíram para o trabalho investigadores das Universidades de Jena, Halle e Estugarda, bem como do instituto de investigação mexicano CINESTAV. O financiamento foi fornecido pelo Cluster de Excelência de Jena "Balance of the Microverse" e pelo Centro de Investigação Colaborativa DFG ChemBioSys.
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